實驗3X射線衍射粉末分析

1、深圳大學實驗報告 課程名稱：儀器分析實驗 實驗項目名稱:實驗三X射線衍射與晶體物像分析 學院 專業(yè)；應(yīng)用化學 指導(dǎo)教師:朱才鎮(zhèn) 報告人：習雯影 學號：2006141075班級： 06應(yīng)化 同組人員：習雯影 趙倩馮倩張秋吉鄭艷萍 實驗時間：2009-4-22 實驗報告提交時間：2009-5-6 教務(wù)處制 1 實驗?zāi)康?1、了解X衍射的基本原理以及粉末 X衍射測試的基本目的; 2、掌握晶體和非晶體、單晶和多晶的區(qū)別； 3、了解使用相關(guān)軟件處理 XRD測試結(jié)果的基本方法。 2 實驗原理 1、晶體化學基本概念 晶體的基本特點與概念：質(zhì)點（結(jié)構(gòu)單元）沿三維空間周期性排列（晶體定義），并 有對稱性?？臻g點

2、陣：實際晶體中的幾何點，其所處幾何環(huán)境和物質(zhì)環(huán)境均同，這些“點 集”稱空間點陣。晶體結(jié)構(gòu) =空間點陣+結(jié)構(gòu)單元。非晶部分主要為無定形態(tài)區(qū)域，其內(nèi)部 原子不形成排列整齊有規(guī)律的晶格。 對于大多數(shù)晶體化合物來說，其晶體在冷卻結(jié)晶過程中受環(huán)境應(yīng)力或晶核數(shù)目、成核方 式等條件的影響，晶格易發(fā)生畸變。分子鏈段的排列與纏繞受結(jié)晶條件的影響易發(fā)生改變。 晶體的形成過程可分為以下幾步：初級成核、分子鏈段的表面延伸、鏈松弛、鏈的重吸收結(jié) 晶、表面成核、分子間成核、晶體生長、晶體生長完善。Bravais提出了點陣空間這一概念, 將其解釋為點陣中選取能反映空間點陣周期性與對稱性的單胞，并要求單胞相等棱與角數(shù)最 多。

3、滿足上述條件棱間直角最多，同時體積最小。1848年Bravais證明只有14種點陣。 PDFktAJNT Ehe Bravaisnolation for descdbing the pallern laliice Biravals lattice Cvyslal Des-cfliptlait CSlmple) cubic Cubic a ?= b=i e, ii=90B Bocf Entered FlCtCtrlltntql (Si朗qhR T Btr-aQon$l S = b*CI.a=g = Y=Oi BoOcentered teirriciie) ortiDitunbie OHharha

4、fnbvt a*bclio.= |i=if = 90 Orlhcj rhombic Oase-cenlered Orlhorhambic Face-centered Orthorhcrnbic (Bimplei) Rhwn bo hedral Rhwnbohlr?i (Trig 的 al) B = b=t,a. = 4 = 7 90 曲爼孑in對 筆爼p曹naJ a = bcfcn=fc=91J-iT=12n mpl.MoifiQcIrilc Moiioclliilc ac8 a= y= 90, B丿 90 時存i；血咖 Monacllnlc (Glnvle) AnDithlC Anorlhi

5、c (Triclinic) a *i：,9D 晶體內(nèi)分子的排列方式使晶體具有不同的晶型。通常在結(jié)晶完成后的晶體中，不止含有一種 晶型的晶體，因此為多晶化合物。反之，若嚴格控制結(jié)晶條件可得單一晶型的晶體，則為單 晶。 2、 X衍射的測試基本目的與原理 X射線是電磁波，入射晶體時基于晶體結(jié)構(gòu)的周期性，晶體中各個電子的散射波可相互干涉。 散射波周相一致相互加強的方向稱衍射方向。衍射方向取決于晶體的周期或晶胞的大小，衍射 強度是由晶胞中各個原子及其位置決定的。由倒易點陣概念導(dǎo)入 X射線衍射理論，倒易點落在 Ewald球上是產(chǎn)生衍射必要條件。 1912年勞埃等人根據(jù)理論預(yù)見，并用實驗證實了 X射線與晶體

6、相遇時能發(fā)生衍射現(xiàn)象，證 明了X射線具有電磁波的性質(zhì)，成為 X射線衍射學的第一個里程碑。當一束單色X射線入射到 晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射 X射線 波長有相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線衍 射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。這就是X射線衍射的基本原理 。 衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可用布拉格方程表示： 2d sin v - n 式中d為晶面間距；n為反射級數(shù)；B為掠射角； 肪X射線的波長。布拉格方程是 X射線衍射分 析的根本依據(jù)。 X射線衍射（XRD）是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末

7、到完整晶體，重要的無損分析工具。對 材料學、物理學、化學、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié) 構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料，宏觀表象轉(zhuǎn)移至微觀認識，建立新理論和質(zhì)量控 制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析（物相鑒定與定量相分析）。晶體學（晶 粒大小、指標化、點參測定、解結(jié)構(gòu)等）。薄膜分析（薄膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度 與層序分析，高分辨衍射測定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征）?？棙?gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與 氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動態(tài)分析研究。微量樣品和微區(qū)試樣分析。實驗室及過 程自動化、組合化學。納米材料等領(lǐng)域。 3 儀器與試劑 儀器型號及

8、生產(chǎn)廠家：BRUKER AXS GMBH 公司D8ADV ANCE型衍射儀。 測試條件：管電壓 40KV ;管電流40mA ; X光管為銅靶，波長 1.5417?;步長0.06 掃 描速度0.3s；掃描范圍為2080 試劑：未知樣品 A、B、C、D。 4 實驗步驟 1、打開電腦主機電源。 2、 開外圍電源：先上撥墻上的兩個開關(guān)，再開穩(wěn)壓電源（上撥右邊的開關(guān)，標有穩(wěn)壓）。 3、 打開XRD衍射儀電源開關(guān)（按下綠色按鈕）。 4、開冷卻水：先上撥左邊電源開關(guān)，再按下 RUN按鈕，確認流量在 20左右方可。 5、 開高壓（順時針旋轉(zhuǎn) 45 停留5s,高壓燈亮）。 6、打開 XRD控制軟件 XRD Co

9、mmander。 7、 防光管老化操作：按照20KV、5mA ； 25KV、5mA ； 30KV、5mA ； 35KV、5mA ； 40KV、 5mA ； 40KV、40mA程式分次設(shè)置電壓、電流，每次間隔3分鐘。設(shè)置方法：電壓、電流 跳到所需值后點set。 a =90； 3 =90； Y =120；六方晶系。各衍射峰對應(yīng)米勒指數(shù)及d值見下表 表2 樣品B相關(guān)晶體參數(shù) 編號 晶面指數(shù) d 衍射峰角度 h kl a 1 0 0 3.1089 28.6903 b 1 0 1 2.6275 34.0933 c 0 1 2 1.9281 47.0924 d 1 1 0 1.7949 50.8256 e

10、 1 1 1 1.6860 54.3677 f 0 2 1 1.4821 62.6252 g 0 1 3 1.4496 64.1952 h 2 0 2 1.3138 71.7899 3、樣品C: 圖4 樣品C的X-Ray衍射圖譜 數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示 C 為 CaCO3。晶胞參數(shù) a=4.9887, b=4.9887, c=17.0529; a =90 3 =90； Y =120,六方晶系。各衍射峰對應(yīng)米勒指數(shù)及d值見下表 表3 樣品C相關(guān)晶體參數(shù) 編號 h 晶面指數(shù) k ld 衍射峰角度 a 0 1 2 3.8539 23.059 b 1 0 4 3.0346 29.409 c 1 1 0 2.

11、4944 36.046 d 1 1 3 2.2841 39.470 e 2 0 2 2.0940 43.238 f 0 1 8 1.9116 47.592 g 1 1 6 1.8748 48.579 4、樣品D: Lspck WVKrsnATP 2500 = b 2000 - 1500 - 1000 _ 500 - 0 -L 20 3040 d J g 50 60 7080 2-Theta (degree) 已知樣品D為兩種物質(zhì)的混合樣品，經(jīng)測定D內(nèi)最有可能含有的兩種物質(zhì)為SiO2和BeF2。 其中，SiO2 晶胞參數(shù)為 a=4.921，b= 4.921，c= 5.416 ； =90, 3=9

12、0, 丫=20，六方晶系。 表4 樣品D 中SiO2相關(guān)晶體參數(shù) 編號 晶面指數(shù) d 衍射峰角度 h k l a 1 0 0 4.2617 20.8262 b 1 0 1 3.3491 26.5930 c 1 1 0 2.4605 36.4872 d 1 0 2 2.2856 39.3900 e 2 0 1 1.9829 45.7174 f 1 1 2 1.8210 50.0461 g 2 1 1 1.5439 59.8551 h 2 1 2 1.3843 67.6152 i 3 0 1 1.3740 68.1910 BeF2晶胞參數(shù)為a=4.9, b=4.9, c=5.38; a =90 ,

13、3 =90 , y =120，六方晶系。 表5 樣品D 中BeF2相關(guān)晶體參數(shù) 編號 晶面指數(shù) d 衍射峰角度 h k l a 1 0 0 4.2435 20.9165 b 1 0 1 3.3318 26.7341 c 1 1 0 2.4500 36.6491 d 1 0 2 2.2719 39.6362 e 2 0 1 1.9738 45.9401 f 1 1 2 1.8113 50.3337 g 2 1 1 1.5370 60.1510 h 2 1 2 1.3776 67.9928 k 2 0 3 1.3696 68.4430 6 實驗結(jié)果分析與討論 本實驗使用 X 射線衍射儀分別測定了

14、4 種未知樣品的 X 射線衍射圖譜， 并使用相關(guān)軟件 對實驗結(jié)果進行物相檢索。結(jié)果顯示未編號粉末樣品、樣品B、樣品C、樣品D分別為立方 晶系Fe2SiV，六方晶系Ca （OH） 2,六方晶系CaCOs,六方晶系SiO?和六方晶系BeF?的混合 物。 通過實驗預(yù)習及查閱相關(guān)資料對晶體、非晶體、單晶、多晶、晶型等晶體化學基礎(chǔ)概念 有了一定的掌握。同時,在具體的實驗操作過程中對 X 衍射儀的工作原理,測試方法有了更 直觀的認識。使用軟件對測定結(jié)果進行物相檢索等相關(guān)處理,在掌握軟件基本操作步驟的同 時也鞏固了晶體化學方面的基礎(chǔ)知識。 晶體在生長過程中受結(jié)晶條件影響可形成不同晶型的晶體。在使用X 衍射儀

15、對樣品進行 測定時,制樣過程中粉末樣品裝填過緊可能會引起晶體擇優(yōu)取向為實驗結(jié)果帶來誤差。因此, 在樣品的合成與測試中應(yīng)控制好實驗條件并嚴格遵守操作步驟,以減小外在條件對實驗結(jié)果 產(chǎn)生的誤差。 7 思考題 1、簡述 X 射線衍射分析的特點和應(yīng)用。 答：X射線衍射儀具有易升級，操作簡便和高度智能化的特點，靈活地適應(yīng)地礦、生化、理化 等多方面、各行業(yè)的測試分析與研究任務(wù)。X射線衍射（XRD）是所有物質(zhì)，包括從流體、粉末 到完整晶體,重要的無損分析工具。對材料學、物理學、化學、地質(zhì)、環(huán)境、納米材料、生 物等領(lǐng)域來說，X射線衍射儀都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)表征，以性能為導(dǎo)向研制與開發(fā)新材料，宏觀表 象轉(zhuǎn)移至微觀認識

16、,建立新理論和質(zhì)量控制不可缺少的方法。其主要分析對象包括：物相分析 （物相鑒定與定量相分析 ）。晶體學（晶粒大小、 指標化、 點參測定、 解結(jié)構(gòu)等）。薄膜分析 （薄 膜的厚度、密度、表面與界面粗糙度與層序分析,高分辨衍射測定單晶外延膜結(jié)構(gòu)特征）?？?構(gòu)分析、殘余應(yīng)力分析。不同溫度與氣氛條件與壓力下的結(jié)構(gòu)變化的原位動態(tài)分析研究。微 量樣品和微區(qū)試樣分析。實驗室及過程自動化、組合化學。納米材料等領(lǐng)域。 2、簡述 X 射線衍射儀的工作原理。 答：用高能電子束轟擊金屬 “靶”材產(chǎn)生 X 射線, X 射線的波長和晶體內(nèi)部原子面間的距離相 近,當一束 X 射線通過晶體時將發(fā)生衍射,衍射波疊加的結(jié)果使射線的強度在某些方向上加 強，在其他方向上減弱。 當X射線以掠角B入射角的余角）入射到某一點陣晶格間距為 d的晶 面上